木桩支挡对排水沟道土工袋砌护边坡稳定性作用研究

刘 晶

（伊犁哈萨克自治州南岸干渠灌区管理处，新疆 伊宁 835000）

1 研究背景

农田水利建设是提高农业生产环境质量，促进粮食增产的关键因素。近年来，我国各级政府不断加大资金投入和大农田水利建设力度，建设出许多高标准农田，对促进农业发展和农民增收起到了十分重要的作用[1]。在这其中，排水沟发挥着十分重要的作用，不仅排除地表的多余水分和残留农药，还对生态净水建立有着重要价值[2]。在我国的新疆地区，除了部分大农场和灌区之外，基本上都是零星地块。因此排水沟往往长度较长，给建设管理带来了一定的难度。此外，新疆地区的土壤主要是河流的冲积与河湖沉积物构成，存在大量的粉质和淤泥质土层，部分沿河地带还存在有分布不均的流沙层，因而造成比较严重的农田排水沟道滑塌现象[3]。在农田排水沟道治理方面，传统的草木土桩护坡以及干砌石护坡普遍存在耐久性差的情况，一般两三年就会发生局部破坏，而块石铅丝笼格宾护坡技术和混凝土衬砌技术存在工程造价高的问题[4]。近年来许多灌区将土工袋技术逐渐应用于排水沟护坡领域，并取得了良好的工程防护效果[5]。因此，从结构设计的视角展开排水沟道土工袋砌护边坡研究具有重要的理论和工程价值。基于此，本次研究利用数值模拟的方法，对设置和不设置木桩两种土工袋护坡方案的稳定系数进行研究，以期为排水沟道土工袋砌护边坡提供必要的建议。

2 数值模拟模型的构建

2.1 工程原型

本次研究以新疆伊犁哈萨克自治州南岸干渠灌区某段排水沟道为例展开研究。该段沟道位于伊犁河沿岸冲积区，以粉质壤土和粉细砂为主，地面下150 cm～200 cm 部位分布有30 cm～60 cm 厚的流沙层。沟道砌护之前的断面尺寸具体为沟深2.0 m，沟底宽2.0 m，边坡系数为1∶1.5。无桩支挡护坡土工袋砌护方式为坡脚部位错缝砌护四层，上部每层缩进20 cm，直至砌护完成。木桩支挡砌护方式为坡脚部位每间隔40 cm 打入经过碳化防腐处理的长2.0 m 的木桩，紧贴木桩铺设长60 cm 的竹片，在其后方铺砌3 层土工袋形成基础，上部的铺设方式与无桩方式相同。

2.2 有限元计算模型的构建

以上节的工程几何模型为基础，利用ANSYS10.0 有限元软件建立渠道坡体的数值模拟计算模型[6]。对模型进行三角形网格剖分，以自适应的方式进行网格的划分和加密，在模型的破坏面附近进行自动加密。最终，建立的无桩护坡模型划分为4297 个网格单元，2243 个计算节点，有桩护坡的网格单元个数为4276 和，节点数量为2228 个，有限元模型如图1 所示。模型构建过程中对土工袋部分按照土工丝织物加筋的方式处理，丝织物的重量忽略不计且具有良好的透水性，与周围土体接触面的摩擦角按照33.46°计算[7]。

图1 有限元模型示意图

2.3 计算参数与边界条件

模拟计算的结果受到模型材料物理力学参数有较大的影响。因此，研究中结合相关研究成果、工程经验，以及采样实验室试验相结合的方式获取模型材料的物理力学参数，结果见表1。利用OptumG2 中的M-C 本构模型以及平面应变Mohr-Coulomb屈服函数进行计算，土工袋的接触界面利用折减系数对接触面强度参数进行修正，初始折减系数设定为0.85[8]；木桩与图和土工袋的接触界面视为两个不同的层，并与连接件相连接，其轴向、法向和桩端的相互作用的系数分别0.5、0.5 和5。研究中将沟道护坡的渗入情况视为无限渗流，底部的浸水边界上的压力为已知，而自由表面的位置不确定，需要通过迭代过程计算，并将其作为解的一部分。

表1 材料物理力学参数

3 计算结果与分析

3.1 不考虑渗流的计算结果与分析

能量耗散是渠道护坡发生塑性变形破坏的重要呈现方式，可以将护坡内部的微小缺陷的闭合、新裂缝的产生、发展、演变以及护坡材料强度弱化丧失的过程。由此可见，渠道护坡的内部损伤以及材料强度丧失可以通过能量耗散直接呈现出来。显然，渠道护坡在各种荷载作用下发生变形和破坏的过程，本质上就是能量的耗散和释放的过程。另一方面，上述过程中耗散的能量主要来自于护坡材料内部的塑性变形以及滑动做工。因此，护坡的变形与能量耗散之间存在良好的线性关系，也就是剪切耗散越大，对应部位的塑性变形也就越严重。由于研究区旱季的地下水位较深，一般在-2.0 m～2.5 m 之间，沟道的水位为0 m，不存在渗流情况。因此，研究主要对于有桩和无桩两种方案下的稳定性进行计算，并利用能量耗散呈现的护坡破坏过程中的破坏面位置，最终获得如图2 所示的基于能量耗散的破坏模式示意图。

图2（b）为无桩护坡剪切破坏后的云图，可以看出其中存在比较明显的弧形剪切耗散带，说明护坡内部存在一个比较明显的破坏面，特别是破坏面和流沙软弱层的接触部位颜色最浅，说明该部位已经发生了比较严重的塑性变形。图2（d）是有桩护坡剪切破坏后的云图，由图可知，其剪切耗散比较大区域主要是坡脚与靠近土工袋的坡体中部，说明上述部位已经发生塑性变形。但是，相对于无桩工况，有桩工况下的塑性变形要轻微，说明木桩支挡能够有效提升护坡稳定性。从具体的数值计算结果来看，无桩和有桩护坡的稳定性系数分别为1.42 和1.53，有桩护坡的稳定性提升了7.7%。

图2 不同计算工况下护坡破坏云图

3.2 考虑渗流的计算结果与分析

研究沟段的地下水位在雨季会有明显的升高，因此在计算过程中必须要考虑护坡内水流向沟道内渗流情况下的护坡稳定性。在模型计算过程中，以地下水位和沟道内水位的实际数据为基础，进一步设计不同组合的沟道水位和地下水位方案，并进行有桩和无桩两种工况下的护坡稳定系数进行数值计算，主要计算结果见图3。由图可知，在不同地下水位埋深条件下，如果沟内水位相同，则有桩工况的稳定性系数都明显大于无桩工况，说明增设木桩支挡对提升渗流情况下的护坡稳定性具有比较显著的效果。

图3 考虑渗透作用条件下护坡稳定性系数曲线

对不同地下水位和沟道水位组合条件下的沟底0 m 部位的位移量计算结果进行提取，绘制出如图4 所示的不同水位条件下位移值变化曲线。由图4 可知，当地下水位埋深为-85.8 cm 情况下，无桩护坡在不同沟道水位条件下的位移量均明显偏大，且沟道水位为36 cm 的条件下位移量达到最大值，为8.597 mm。此外，在有桩和无桩工况下，位移量均会随着地下水位和沟道水位水位差的减小为减小。因此，可以发现渗流是影响护坡稳定性的一个重要因素，在护坡工程设计中必须要予以足够的重视。从有桩和无桩两种工况的对比来看，位移的变化规律与护坡稳定性系数的变化规律基本一致，有桩护坡的位移量均小于无桩护坡的位移量。因此，从护坡位移变形的视角来看，增设木桩支挡对提升渗流情况下的护坡稳定性具有比较显著的优势。

图4 不同水位差沟底0 m 部位的位移曲线

4 结论

本文以新疆伊犁哈萨克自治州南岸干渠灌区某段排水沟道为例，利用数值模拟计算的方法，展开木桩支挡对排水沟道土工袋砌护边坡稳定性的作用研究，获得主要结论如下：

（1）从能量耗散的特征来看，有桩工况下的塑性变形相对较轻微，护坡的稳定性提升了7.7%左右，说明木桩支挡能够有效提升护坡稳定性。

（2）在不同地下水位埋深条件下，如果沟内水位相同，则有桩工况的稳定性系数都明显大于无桩工况，而位移量均小于无桩护坡的位移量，说明增设木桩支挡对提升渗流情况下的护坡稳定性具有比较显著的效果。

（3）综上，木桩支挡对提升排水沟道土工袋护坡的稳定性具有比较显著的效果，因此可以在工程设计中选用。